Содержание к диссертации
Введение
1. Методики лазерно-локационных измерений в приземном слое 28
1.1. Методика измерений градиента температуры, турбулентного потока тепла и дефицита влажности 28
1.2. Методика диагностики состояния системы «почва- растение-воздух» 33
1.3. Экспериментальная проверка методики диагностики системы 35
1.4. Оптические методы определения турбулентного состояния приземного слоя 39
Выводы 53
2. Методики лазерно-локационного зондирования стратосферы 55
2.1. Методология лазерно-локационного зондирования стратосферы 55
2.2. Аппаратура и методика обработки данных лидарных измерений 60
2.3. Методика определения температуры 71
2.4. Методика разработки региональных моделей молекулярной атмосферы 74
2.5. Методика учета влияния оптического состояния стратосферного аэрозоля на приземную температуру региона 79
Выводы 97
3. Результаты измерений в приземном слое 99
3.1. Экспериментальная проверка лазерно-локационного метода при распространении многомодового сферического лазерного излучения в горных условиях 100
3.2. Влияние состояния приземного слоя и подстилающей поверхности на распространение локационного сигнала 105
3.3. Распределения структурной постоянной показателя преломления воздуха 115
3.4. Результаты исследований связей лазерно-локационного сигнала с параметрами приземного слоя 133
Выводы 139
4. Результаты лидарного зондирования стратосферы 145
4.1. Обоснование разработки региональных моделей молекулярной атмосферы 145
4.2. Результаты зондирования стратосферы 154
4.3. Динамические процессы и оптическое состояние аэрозольной атмосферы 155
4.4. Термическое состояние стратосферы 156
Выводы 165
5. Анализ результатов. Модели 167
5.1. Связи лазерио-локационного сигнала с параметрами системы «почва- растение- воздух» 167
5.2. Особенности турбулентного состояния приземного слоя в горных условиях 174
5.3. Региональные модели термодинамических и оптических параметров молекулярной атмосферы 176
5.4. Динамика фонового состояния оптических характеристик стратосферного аэрозоля 188
5.5. Динамика оптических характеристик при возмущениях атмосферы 194
5.6. Влияние динамических процессов на оптическое состояние стратосферного аэрозоля 212
5.7. Региональные модели температуры стратосферы 258
5.8. Влияние оптического состояния стратосферного аэрозоля на приземную температуру региона 264
Выводы 271
Выводы и заключение 280
Литература 282
- Оптические методы определения турбулентного состояния приземного слоя
- Методика учета влияния оптического состояния стратосферного аэрозоля на приземную температуру региона
- Влияние состояния приземного слоя и подстилающей поверхности на распространение локационного сигнала
- Региональные модели термодинамических и оптических параметров молекулярной атмосферы
Оптические методы определения турбулентного состояния приземного слоя
Экспериментально закономерности рассеяния и ослабления оптического излучения в атмосфере исследованы рядом авторов. Весьма полная библиография работ, посвященных этим вопросам, содержится в монографиях [3,4,5,9,14,22] и обзорных статьях [11,23].
Из уравнения лазерной локации следует невозможность в общем случае определения входящих в него величины прозрачности атмосферы и суммы объемных коэффициентов обратного молекулярного и аэрозольного рассеяния, не прибегая к ряду предположений. С точки зрения однозначности информации, извлекаемой из зарегистрированного обратного сигнала, эти предположения включают: прозрачность атмосферы между отражаемым объемом и лидаром известна, что вполне оправданно, если учесть, что существует целый ряд методов измерения спектральной прозрачности атмосферы. В качестве одного из них может быть использован метод измерения прозрачности атмосферы с помощью самого лазерного локатора; для нижнего 30- километрового слоя атмосферы известен вертикальный профиль объемного молекулярного коэффициента рассеяния, значит, и вертикальный профиль объемного молекулярного коэффициента обратного рассеяния. Естественно, что это предположение ограничивает возможности интерпретации результатов зондирования в нижнем 30- километровом слое атмосферы. Но, тем не менее, его можно считать приемлемым, т.к. вертикальный профиль плотности атмосферы и связанный с ним однозначно вертикальный профиль объемного коэффициента молекулярного рассеяния изменяются в этом слое не существенно. Так, в приземном слое атмосфере все колебания атмосферного давления заключены в пределах ±3%.
При выполнении указанных предположений из измеренного профиля эхосигнала лазерного импульса можно извлечь однозначную информацию о профиле объемного коэффициента обратного аэрозольного рассеяния, который дает представление о стратификации аэрозольных слоев атмосферы. Последняя характеристика имеет важное значение. Однако для решения многих задач оптики атмосферы обычно требуется знать по крайней мере профиль объемного коэффициента аэрозольного рассеяния. Объемный коэффициент аэрозольного рассеяния может быть однозначно выражен через объемный коэффициент обратного аэрозольного рассеяния только в том случае, когда задана индикатриса рассеяния (или иметь статистические данные о корреляционных связей одного коэффициента с другим). Во многих случаях пока из-за недостатка таких сведений при количественной интерпретации данных используют априорную информацию об аэрозоле. Чаще всего исходят из предположения о том, что комплексный показатель преломления и спектр размера частиц известны, а их форма считается сферической. Аналогично поступают при определении массы аэрозольных частиц в единице объема. И действительно, если считать известными химический состав частиц и их спектр размеров, тогда для сферических частиц можно найти отношение объемного коэффициента обратного рассеяния к объемному коэффициенту рассеяния. Следовательно, из результатов зондирования можно найти объемный коэффициент рассеяния, в который входят концентрация частиц, их спектр размеров и фактор эффективности рассеяния (см. формулу 7). Из этих трех величин неизвестной является только концентрация частиц, поскольку спектр размеров задан, а фактор эффективности рассеяния рассчитывается по заданным значениям комплексного показателя преломления. Концентрация частиц линейно входит в выражение для объемного коэффициента рассеяния (7), поэтому ее определение не представляет большого труда.
Без привлечения дополнительной априорной информации при одночастотном зондировании безоблачной атмосферы оказывается возможным решение следующих важных задач: 1) исследование стратификации и относительной интенсивности аэрозольных слоев (число слоев, их пространственная протяженность, тонкая структура); 2) исследование динамики пространственной структуры аэрозольных слоев атмосферы; 3) исследование пространственно-временных характеристик загрязнения атмосферы в результате индустриальной деятельности человека; 4) определение прозрачности однородной в горизонтальных плоскостях атмосферы по наклонной и горизонтальной направлениям. Обнаруженные корреляционные связи между стратификацией аэрозольных слоев и рядом метеорологических величин, прежде всего таких, как температура и относительная влажность, открывают дополнительные возможности одночастотного зондирования аэрозольного рассеяния атмосферы.
По мере накопления данных о спектрах размеров, концентрации, химическом составе и форме частиц атмосферных аэрозолей, с одной стороны, и данных об их индикатрисах рассеяния, с другой, одыочастотное зондирование будет приносить все более и более точную количественную информацию о микроструктуре и оптических характеристиках атмосферных аэрозолей.
Линейная корреляционная связь между объемным коэффициентом обратного аэрозольного рассеяния и объемным коэффициентом аэрозольного рассеяния наблюдалось рядом авторов, например, группой Коллиса [24]. Однако полученных данных пока не достаточно, чтобы можно было сделать заключение об однозначной связи между этими коэффициентами при тех или иных условиях. Необходимо проводить серии новых специальных экспериментов в различных географических районах, в разные сезоны и на разных высотах.
Таким образом, из краткого обзора проведенных теоретических и экспериментальных исследований следует, что в основном они посвящены изучению закономерностей поведения лазерного излучения в случайно- неоднородных средах, какой является атмосфера, и влиянию на распространение излучения характеристик атмосферы. В стороне от решаемых в настоящее время лазерно-локационным методом задач остались такие важные в практическом отношении задачи, как диагностика состояния приземного слоя и аэрозольной атмосферы, в частности, стратосферы. Возможность количественной оценки объемной концентрации и массы аэрозольных частиц при одночастотном зондировании атмосферы имеет очень важное значение в связи с проблемой борьбы с загрязнениями атмосферы аэрозолями антропогенного происхождения. Эта проблема с каждым годом становится все более и более актуальной, которая связана не только с непосредственным влиянием загрязнений на жизнь человека. Более серьезное влияние загрязнение окружающей среды может оказать на изменение климата.
Методика учета влияния оптического состояния стратосферного аэрозоля на приземную температуру региона
Экспериментальная проверка разработанного метода определения градиента температуры проводилась на однородной трассе, покрытой растительностью, протяженностью Z=300 м с отражением. Отражатель плоское зеркало диаметром =150 мм. Высота прохождения луча г=1,5 м. Одновременно с измерениями флуктуации интенсивности лазерного излучения г} проводились микрометеорологические наблюдения. Все измерения проводились в области слабых флуктуации. Контроль приближения МПВ проводился по (1.9). Значения С определялись из измерений вертикальных профилей температуры и скорости ветра в приземном слое. Схема измерения флуктуации интенсивности лазерного излучения была следующей (рис. 1.1). Излучение лазера (1), работающего в многомодовом режиме и модулированного электромеханическим модулятором (2) частотой 2,6 кГц, пройдя турбулентную атмосферу, регистрировалось фотоэлектронным умножителем типа ФЭУ-28 (4), перед которым устанавливалась диафрагма с d = 0,0 KMZ (3), усиливалось резонансным усилителем (5) и детектировалось выпрямителем (6). Величина, пропорциональная флуктуациям интенсивности света, подавалась на вход аналогового дисперсиометра (7), на выходе которого цифровым вольтметром измерялись величины, пропорциональные Т и 1- Т»
На рис. 1.2 приведены экспериментальные зависимости величин градиента температуры и турбулентного потока тепла, полученных по градиентной методике и рассчитанных по формулам (1.11) и (1.14), откуда видно хорошее соответствие между этими величинами. Разброс точек на графике может быть следствием двух основных причин: а) неточности
Рис. 1.2. Экспериментальные связи между AT по градиентным и оптическим измерениям (а) и между О по градиентным и оптическим измерениям (б). настройки приемной системы (в [54] указывается, что значение сг{ может изменяться в несколько раз в зависимости от удаленности от оси пучка) и б) «точечности» измерения градиента температуры и турбулентного потока (градиентные измерения проводились в точке посредине трассы).
Следовательно, разработанный метод определения градиента температуры по дисперсии флуктуации интенсивности лазерного излучения позволяет дистанционно определять градиент температуры и связанные с ним составляющие теплового баланса.
Теория метода. Метод основывается на законах взаимодействия электромагнитного излучения в оптическом диапазоне с неоднородностями поля температуры и влажности, приводящих к флуктуациям параметров излучения и законах энерго- массообмена в системе «почва-растение-воздух». Количественной характеристикой, описывающей состояние этой трехфазной системы, является величина квадрата дисперсии флуктуации интенсивности лазерного излучения rj, непосредственно измеряемая на установке [55]. Рассмотрим физическую модель взаимодействия лазерного излучения с системой.
В трехфазной системе «почва - растение - воздух» растительное сообщество образует самонастраивающееся звено, обеспечивающее фотосинтез, в механизме которого превалирующую роль играют радиация, температура и водный фактор. Причем при избытке тепла в создании оптимального теплового режима важную роль играет механизм транспирации, а при достаточном увлажнении наибольшее влияние на продуктивность фотосинтеза оказывает фотосинтетически активная радиация и температура. На интенсивность транспирации растений основное влияние оказывает градиент температуры между листом и воздухом, пропорциональный потоку тепла [56]. Величина же флуктуации сигнала -дисперсия флуктуации интенсивности лазерного излучения - зависит, в основном, от температурных неоднородностей. В общем случае возникновение этих неоднородностей связано, прежде всего, с различиями в теплофизических, радиационных и других свойствах подстилающей поверхности. Интенсивность температурных флуктуации, следовательно флуктуации интенсивности лазерного излучения, полностью зависят, с одной стороны, от прогрева подстилающей поверхности и ее состояния, с другой -от интенсивности тепло- влагообмена, т.е. коэффициента тепло- влагообмена и скорости ветра. При слабом ветре и хорошо прогретой поверхности возникают большие сверхадиабатические градиенты и интенсивные флуктуации. Развитая механическая турбулентность приводит к хорошо перемешанной атмосфере с адиабатическими градиентами и слабыми флуктуациями температуры. Следовательно, на флуктуации интенсивности оптического излучения основное влияние оказывают флуктуации показателя преломления С\.
Считая, что форма спектра флуктуации показателя преломления (следовательно, и формы спектра флуктуации температуры) совпадает с формой спектра флуктуации скорости, в работе [27] для локально-изотропной случайной среды получено выражение, связывающее спектр флуктуации показателя преломления Фп(аф с волновым числом зз, характеризующим масштаб турбулентности, и Сп :
Влияние состояния приземного слоя и подстилающей поверхности на распространение локационного сигнала
Электромагнитные волны оптического диапазона, распространяющиеся через среду с флуктуациями показателя преломления, рассеиваются на этих неоднородностях, вследствие чего, наряду с обычным дифракционным уширением, наблюдаются флуктуации параметров волны (амплитуда, фаза), снижение пространственной и временной когерентности, а в некоторых случаях даже и смещение пучка.
Указанные выше явления приводят к таким хорошо известным эффектам, как мерцание звезд, размытия изображения удаленного предмета, и могут повлиять на характеристики лазерных систем связи и локации, существенно снизить качество космической съемки земной поверхности.
Поэтому изучение взаимодействия электромагнитных волн со случайно-неоднородной средой имеет важное значение не только для астрономических наблюдений и оптической связи, но и для других приложений в народном хозяйстве, в частности, для решения обратной задачи, а именно, объективного определения состояния исследуемой среды методами дистанционного зондирования»
В случайно-неоднородной среде, какой является атмосфера и, в частности, приземный слои воздуха, флуктуации показателя преломления вызваны случайными изменениями таких параметров, как температура, давление и влажность воздуха. Причем основное влияние на флуктуации показателя преломления оказывают температурные флуктуации, так как флуктуации давления малы и быстро рассеиваются. Флуктуации влажности в оптическом диапазоне незначительны, и ими можно пренебречь. Интенсивность температурных флуктуации, в свою очередь, с одной стороны, определяется состоянием подстилающей поверхности, а с другой, влиянием погодных факторов.
Действительно, развитая механическая турбулентность приводит к хорошему перемешиванию атмосферы с адиабатическим градиентом и очень слабыми флуктуациями температуры, а для спокойной атмосферы со слабым ветром и высоким уровнем радиации характерно появление сверхадиабатических градиентов с сильными флуктуациями температуры и, следовательно, сильными флуктуациями показателя преломления. Тот или иной тип подстилающей поверхности (суша, растительность, водная поверхность), а также ее состояние таюке могут привести либо к выравниванию градиентов и уменьшению флуктуации температуры и показателя преломления (суша с растительным покровом, море), либо, наоборот, способствовать возникновению сверхадиабатических градиентов с характерными сильными флуктуациями температуры и, следовательно, с сильными флуктуациями показателя преломления.
Таким образом, задача исследования различных условий распространения лазерного излучения в случайно-неоднородных средах в зависимости от вида и состояния подстилающей поверхности, а также от погодных факторов, является актуальной и представляет большой научный и практический интерес. Важнейшим параметром состояния турбулентного поля является структурная постоянная флуктуации показателя преломления атмосферы Сп , аналогичная по смыслу структурным характеристикам температуры и влажности и связанная с ними линейным соотношением где Ап и В„ - некоторые функции средних значений температуры, влажности и давления; CqJ структурная характеристика взаимной структурной функции температуры влажности. В оптическом диапазоне обычно полагают Вп=0. Применение лазеров для измерения параметров атмосферной турбулентности имеет определенные преимущества перед обычными градиентными способами измерения: оптический датчик не искажает структуру турбулентного потока, поскольку нет необходимости размещать прибор непосредственно в исследуемой среде; оптические измерения обеспечивают большую стабильность и достоверность получаемых статистичесішх данных, так как по своей природе они связаны с дополнительным осреднением определяемой характеристики вдоль трассы распространения луча; за счет малых длин волн оптического излучения и наличия практически безинерционных фотоэлектрических преобразователей можно обеспечить высокое пространственное и временное разрешение измеряемых параметров. Оптические методы определения Сп могут быть разделены на: а) методы, основанные на измерении статистических характеристик оптической волны, прошедшей слой турбулентной среды (измерение квадрата дисперсии флуктуации логарифма амплитуды, разности фаз и т.д.); б) методы, основанные на искажении когерентности оптической волны. Любой эксперимент по определению статистических характеристик оптической волны, прошедшей слой турбулентной атмосферы, дает возможность найти интенсивность турбулентных пульсации, описываемую структурной характеристикой показателя преломления. Используя формулы метода плавных возмущений, в которые Сп входит в качестве сомножителя, последнюю находят из измерений либо квадрата дисперсии логарифма амплитуды, разности фаз или вариаций углов прихода. Общим недостатком данных методов является то, что они могут использоваться только для коротких трасс (десятки - сотни метров).
Региональные модели термодинамических и оптических параметров молекулярной атмосферы
Одной из важных задач развития методов лазерной локации атмосферы является изучение природы, временной и пространственной изменчивости аэрозольного и молекулярного состояния атмосферы, в частности состояния аэрозольных слоев в нижней и средней стратосфере. Стратосферный аэрозоль (СА), являясь оптически активной составляющей атмосферы, может оказывать значительное влияние на ее радиационный баланс, который играет важную роль в погодо- и климатообразовании. С другой стороны, состояние СА и его динамика связаны с глобальными атмосферными процессами, включая загрязнение атмосферы продуктами естественного и антропогенного происхождения, крупномасштабные переносы воздушных масс, солнечно-земные и внутриатмосферные связи, что позволяет исследовать указанные процессы, используя аэрозоль в качестве трассера.
Имеется много методов, которые используются для измерения характеристик СА. Среди них первыми для получения информации о СА были методы, основанные на определении прозрачности всей толщи атмосферы и измерении рассеянного СА солнечного излучения во время сумерек.
Данные о СА из измерений прозрачности всей атмосферы или измерении прямой радиации при актинометрических наблюдениях можно получить лишь в тех случаях, когда оптическая плотность СА для Я-550 нм не меньше погрешностей измерений величины оптической плотности СА Ат [61,62]. Для актинометрических наблюдений величина Лтае менее 0,05-0,07, для прецезионных фотометрических измерений Ат & 0,01. Оптическая плотность фонового СА для Я=550 нм т550 М),002, т.е. СА нельзя определять по характеристикам прозрачности всей атмосферы. Фоновый СА также трудно исследовать с помощью _ сумеречного метода в силу того, что интенсивность рассеянного аэрозолем солнечного коротковолнового излучения меньше интенсивности излучения, поглощенного газами атмосферы на высотах расположения СА. К тому же следует добавить, что точность сумеречного метода не высокая. Эти оптические методы сыграли свою историческую роль, т.к. с помощью их в свое время было выявлено наличие аэрозоля в верхней атмосфере после крупных извержений вулканов. Но в качестве основных для мониторинга СА они совершенно не пригодны из-за их низкой чувствительности и малой разрешающей способности. Среди методов дистанционного зондирования СА наибольшее развитие в последнее время получил метод лазерной локации. Первые измерения рассеивающих свойств стратосферного аэрозоля с помощью лидаров на основе рубиновых лазеров были проведены Фиокко и Смулинным в 1963 г. Применение методов прямых измерений СА в качестве основных для мониторинга СА не целесообразно из-за низкой оперативности, сложности методики обработки проб, необходимости применения средств доставки и возврата аппаратуры. В силу того, что состав СА относительно стабилен, а частицы имеют в основном сферическую форму, для контроля СА можно использовать дистанционные методы измерений, среди которых наиболее оперативным и надежным является метод лазерного зондирования. Наиболее полные систематические анализы данных исследовании по лазерному зондированию атмосферы на разных этапах можно найти в [62-68]. Применение лидарного метода в исследованиях атмосферы состоит в том, что вертикальный профиль принятого сигнала, образующийся вследствие упругого рассеяния назад (без изменения его первоначальной длины волны) на атмосферных газах и частицах, сравнивается с профилем сигнала обратного релеевского рассеяния. Оптический эксперимент по зондированию атмосферы математически описывается известным уравнением локации. В приближении однократного рассеяния оно имеет следующий вид: Хехр где ЩХ, Н) - число фотонов, рассеянных на высоте Н слоем толщиной АН и зарегистрированных фотоприемником; X - длина волны зондирующего импульса; Е(Х) - энергия зондирующего импульса (в фотонах); S- площадь приемного зеркала; Т0 (Я) - коэффициент пропускания приемно-передающей части лидара; Та (Я) - квантовая эффективность фотоприемника; F(X,H) -объемный коэффициент обратного рассеяния; (Ji(X,H) - объемный коэффициент поглощения на высоте Н Типичная схема моностатического лидара состоит из монохроматического передатчика (лазера), работающего в режиме модулированной добротности (длительность импульса порядка нескольких наносекунд) и коллимированного приемного телескопа с соответствующей регистрирующей аппаратурой. Оптические оси передатчика и приемника ориентируются таким образом, чтобы поле приемной системы максимально перекрывало зондируемый объем по трассе луча. В этом случае мощность регистрируемого сигнала обратного рассеяния определится как функция расстояния [62]: где N0 PQ(c-т0/2) - энергия начального импульса; ц -длительность импульса; с — скорость света; С — аппаратурная постоянная лидара, включая площадь приемного телескопа, приемно-передающего тракта, энергию импульса, квантовую эффективность фотодетектора (ФЭУ); F(H,X)=a (H,X)-g/H,X) - объемный коэффициент обратного рассеяния; а(Н,Х) объемный коэффициент рассеяния, включающий соответствующие аддитивные составляющие аэрозольного, рёлеевского и некогерентного рассеяния; gJHsX) - модуль вектора общефизической индикатрисы рассеяния для угла л; і (И, Я) - атмосферное пропускание, учитывающее ослабление излучения атмосферой на пути лидар-рассеивающий слой; а(Н,Х)- у (Н,Х) + ап(Н,Х) - показатель ослабления; ап(Н,Х) - показатель поглощения атмосферными газами. Значение F(H,X) складывается из объемных коэффициентов: обратного аэрозольного рассеяния Fa(H,X)= аа (Н,Х) Н,Х), обратного молекулярного.
